Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
2.5. Постулаты классической трибологии и натуртрибологии 2.5.1. Классическая трибология Еще в 1939 г. в СССР на 1-й всесоюзной конференции по трению и износу было высказано положение о том, что при рассмотрении пары трения, например вал–подшипник, нужно изучать триаду: материал вала, материал подшипника и смазочный материал. Развиваемая в дальнейшем проф. И.В. Крагельским молекулярно-механическая теория трения и изнашивания, рассматривала процесс изнашивания в виде трех стадий: 1) взаимодействия поверхностей, 2) изменения на поверхностях и 3) разрушение. Эта теория исходила также из того, что при трении происходит непосредственный контакт материалов деталей. Согласно И.В. Крагельского, взаимодействие материалов при трении может быть двух видов: механическое и молекулярное. Конечно, это нужно рассматривать условно, поскольку оба вида взаимодействия могут иметь место одновременно. Один материал влияет на изменение физико- химических свойств другого сопряженного с ним материала. Одной из главных задач триботехники стало установление изменений свойств сопряженных поверхностей в процессе трения; именно от этого изменения будут зависеть величины износа и силы трения в соединении. Появилось такое понятие, как приработка деталей. Это связано с тем, что при первоначальном контактировании трущиеся поверхности не могут нести эксплуатационные нагрузки, площадь их фактического контакта очень мала и появляется опасность схватывания, образования задиров и преждевременного выхода узла трения из строя. В процессе приработки на поверхностях трения происходят физико-химические изменения, которые в дальнейшем и определяют надежность и долговечность работы пары трения. Появился также термин "приспособляемость". Авторы этого понятия утверждают, что каждый материал, работающий в узле трения, имеет свойство приспосабливаться к условиям работы: под действием сопряженного материала он упрочняется и становится более износостойким. Заметим, что понятия приработка и приспособляемость близки. В последнее время в триботехнике появилось еще одно понятие, которое также относится к взаимодействию материалов пары трения. Это понятие "совместимость" одного материала с другим. Можно отметить, что, например, незакаленная сталь не может работать по незакаленной стали, — такие материалы несовместимы. Незакаленный вал не может работать по бронзовому подшипнику, так же как хромированное поршневое кольцо по хромированному цилиндру. К терминам и понятиям приработка, 34 приспосабливаемостъ и совместимость добавим такие, как шероховатость, заедание, изнашивание, задир, взаимное внедрение, взаимодействие поверхностей. В инженерной практике имеется большое разнообразие материалов, применяемых в узлах трения, их сочетания могут быть весьма обширны. Если еще учесть то обстоятельство, что в процессе работы свойства материалов изменяются (в зависимости от условий трения и применяемых смазочных материалов, которых также имеются тысячи), то число физико-химических изменений на трущихся поверхностях и их интенсивность, от которых зависят величины износа и силы трения, может быть бесконечным и предусмотреть их все практически невозможно. Достаточно, например, в алюминиево-железисто-никелевой бронзе при 4% железа и 4 % никеля увеличить содержание алюминия от 10 до 11 %, как произойдет образование хрупких структур в сплаве, что резко снизит износостойкость пары бронза–сталь. Можно привести множество примеров, когда незначительное отклонение от технологического процесса изготовления деталей узлов трения приводило к образованию задиров на поверхностях трения и выходу деталей из строя. Долговечность и безотказность узла трения, как уже было сказано, зависят от материалов двух сопряженных деталей и смазки. Выполнены и ежегодно выполняются тысячи научно-исследовательских и опытно- конструкторских работ, в числе которых: – разработка новых износостойких и антифрикционных материалов и покрытий, а также смазочных материалов для узлов трения; – изучение влияния шероховатости и волнистости поверхности первоначальный износ деталей узлов трения, надежность и энергетические затраты; – определение оптимального состава конструкционных и анти- фрикционных материалов применительно к конкретным узлам трения машин и оборудования, которые обеспечивали бы минимальные потери на трение, высокую износостойкость и надежность работы; – оценка совместимости различных материалов в парах трения с точки зрения схватывания поверхностей, переноса материала с одной поверхности трения на другую, их износостойкости и потерь на трение; – исследование прирабатываемости материалов, продолжительности этого процесса, оценка оптимальных режимов приработки, возможности использования приработочных покрытий, разработка различных технологических приемов и специальных приработочных присадок к маслам и приработочных масел; 35 – изучение изменений в поверхностных слоях трущихся деталей в результате действия пластической деформации, температуры и ок- ружающей среды и влияние этих изменений на антифрикционные свойства пар трения; – изучение различных видов изнашивания (окислительного, водородного, коррозионно-механического, фреттинг-коррозии и др.) и их закономерностей; – изучение механизма разрушения поверхностей трения материалов при трении скольжения и контактной усталости материалов в подшипниках качения, зубчатых передачах и кулачковых механизмах, определение влияния различных факторов (твердости поверхности, вида финишной обработки, типа смазочного материала и др.) на контактную выносливость узла трения; разработка методик расчета трущихся деталей на трение и износ. Естественно, этим не исчерпываются все направления по изучению процессов трения, изнашивания и смазки в машинах. Их большое разнообразие связано с тем, что в процессе работы узла трения, между трущимися материалами имеется непосредственный контакт. С каждым годом разрабатываются все новые износостойкие и антифрикционные материалы и, для того чтобы оценить их служебные свойства, требуется проведение большого объема экспериментальных исследований. Изменения первоначальных свойств материалов в процессе эксплуатации машин практически непредсказуемы, и это не дает возможности заранее что-либо предвидеть. Налицо большое количество направлений исследовательских работ в области триботехники и, как результат, малая их эффективность. Возникает вопрос: как выйти из этого положения? 2.5.2. Понятие о натуртрибологии (самоорганизации в узлах трения) Как было еже отмечено, обеспечение безызносной и длительной работы узла трения в настоящее время сводится к созданию между трущимися деталями металлической пленки, отделяющей одну поверхность от другой. В этом и состоит главная задача трибологии. Исходя из изложенного, направление исследований по разработке безызносных узлов трения, моделирующих узлы, созданные природой, можно назвать натуртрибологией. Эти исследования в данное, время находятся на первой стадии развития. В натуртрибологии на первый план выступают следующие исследования: 1. Создание условий в узле трения, при которых образуется сервовитная пленка: – разработка металлоплакирующих мазочных материалов и присадок к ним; 36 – разработка материалов, содержащих металлоплакирующий состав, обеспечивающий в процессе трения формирование сервовитной пленки; – разработка конструкционных решений (бронзовые вставки или специальные металлоплакирующие элементы в конструкцию узла трения), обеспечивающих образование сервовитной пленки. 2. Изучение смазочного действия сервовитной пленки в узле трения: – образование комплексных соединений (металла с активными элементами смазочного материала), их разложение и образование вновь; – подбор наиболее рациональных комплексных соединений для различных классов узлов трения; – изучение образования комплексов, образующихся при взаимодействии металла (плакирующего элемента) с активными частями пластмасс. 3. Исследование структуры сервовитной пленки в зоне контакта деталей при ее деформации, длительности работы соединения в зависимости от вида смазочного материала, условий работы и среды: – рентгеновские исследования строения сервовитной пленки и ее взаимодействия с активными элементами смазочного материала; – изучение диффузионных процессов при деформировании сервовитной пленки и их роли в обеспечении ее долговечности; – изучение структурных критериев явления ИП. 4. Изучение самоорганизующихся процессов в зоне фрикционного контакта: – изучение диссипативной структуры поверхностного слоя при ИП; – изучение возбужденного состояния поверхности в результате выхода дислокаций и взаимодействия их со смазочным материалом; – исследование пластических деформаций поверхностного слоя при режиме ИП и их роли в растворении поверхности и диффузионных процессах. 5. Разработка новых технологических и эксплуатационных методов повышения долговечности машин и оборудования на основе ИП: – разработка технологий и оснастки по использованию финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО-1) стальных и чугунных трущихся деталей машин; – разработка новых технологических процессов восстановления изношенных машин и оборудования без их разборки (ФАБО-2); 37 – оценка влияния методов ФАБО-1 и ФАБО-2 на повышение ресурса машин и оборудования, снижение расхода топлива и электроэнергии, уменьшения расхода смазочных материалов, объема смазочно-регулировочных работ в эксплуатации, сокращения времени приработки и снижения вредного выброса при работе двигателей внутреннего сгорания; – расширение применения в качестве смазочного материала пресной и морской воды. Различие между граничным трением и ИП представлено на рис.2.11 и рис.2.12. Натуртрибологию можно отнести к самостоятельному направлению в области конструирования, изготовления и эксплуатации машин и оборудования. Отметим, что главным постулатом классической трибологии является то, что трущиеся материалы при работе все время между собой контактируют и находятся в состоянии насильственного контакта. В натуртрибологии главный постулат другой. Здесь трущиеся материалы не имеют непосредственного контакта между собой, их разделяют металлическая сервовитная пленка и серфинг-пленка, которые образуются в процессе трения. 2.6. Научные дисциплины, явления, термины и понятия, необходимые при изучении избирательного переноса ИП (эффект безызносности) характеризуется сложными физико- химическими процессами, протекающими в зоне контакта трущихся деталей, и базируется в первую очередь на самоорганизации неравновесных процессов (формирование сервовитной металлической пленки), химии координационных соединений (взаимодействие смазочного материала с образовавшейся металлической пленкой) и физике тонких пленок (особая структура металлической пленки, разрядка дислокаций, растворение металла, диффузионные процессы). Затронутый комплекс вопросов характеризуется физическим единством явления безызносности, что позволяет глубоко осмыслить и представить перспективу развития нового научного раздела в трибологии. При изучении ИП в технической литературе появились новые термины и понятия, например, такие как сервовитная пленка, ИП, металлоплакирующая смазка (металлоплакирующий смазочный материал), финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) и др. Другие термины менее известны – серфинг-пленка, трибо-ПАВ, континуальное трение и др. Рассмотрим некоторые научные дисциплины и понятия, известные в науке как энтропия и синергетика, а также сформулируем явления и термины, необходимые при изучении ИП. 38 2.6.1. Энтропия Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – мера неупорядоченности больших систем. Впервые понятие "энтропия" введено в XIX в. в результате анализа работы тепловых машин, где энтропия характеризует ту часть энергии, которая рассеивается в пространстве, не совершая полезной работы (отсюда определение: энтропия — мера обесценивания энергии). Затем было установлено, что энтропия характеризует вероятность определенного состояния любой физической системы среди множества возможных ее состояний. В закрытых физических системах все самопроизвольные процессы направлены на достижение более вероятных состояний, т.е. к максимуму энтропии. В равновесном состоянии, когда максимум достигается, никакие направленные процессы невозможны. Отсюда возникла гипотеза о тепловой смерти Вселенной. Однако распространение на всю Вселенную законов, установленных для закрытых систем, не имеет убедительных научных оснований. В XX в. понятие энтропии оказалось плодотворным для исследования биосистем, а также процессов передачи и обработки информации. Эволюция в целом и развитие каждого организма происходят благодаря тому, что биосистемы, будучи открытыми, питаются энергией от окружающего мира. Но при этом биопроцессы протекают таким образом, что связанное с ними " производство энтропии" минимально. Это служит важным руководящим принципом и приразработке современных технологических процессов. При работе узла трения в режиме безызносного трения энтропия практически не изменяется. 2.6.2. Синергетика Понятие синергетика (от англ. syhergetics – совместный), возникшее в середине 1970-х гг. – новое междисциплинарное направление научных исследований. Синергетика ставит задачей выявление и познание общих закономерностей, управляющих процессами самоорганизации в системах разной природы: физических, химических, биологических, технических, экологических и др. Синергетика исследует весь комплекс явлений, специфических для переходов сложных систем от неупорядоченного состояния к упорядоченному и обратно. В настоящее время разработка этих проблем в рамках синергетики обусловлена различными подходами к проблеме самоорганизации в целом и особенностям рассмотрения конкретных вопросов. Так, в работах И. Пригожина (Бельгия) и его сотрудников проблемы самоорганизации разрабатываются с позиции диссипативных структур, в основе которой лежат идеи, методы и принципы нелинейной термодинамики неравновесных процессов. 39 Синергетика в настоящее время выступает в качестве одного из важнейших источников нового метода научного мышления, необходимого для решения сложного комплекса разнообразных междисциплинарных задач, возникающих в связи с познанием и практическим овладеванием процессами самоорганизации, задачами, которые в настоящее время встают не только в естествознании, но и в технике и экологии. 2.6.3. Избирательный перенос при трении (эффект безызносности) ИП – вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта тонкой неокисляющейся металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и не способной накапливать при деформации дислокации. На пленке, образуя с ней химическую связь, может происходить образование координационных соединений из продуктов механической деструкции углеводородов смазки, создавая дополнительный антифрикционный слой. Эта пленка повышает износостойкость поверхности (до двух порядков) и снижает силы трения (на порядок) по сравнению с аналогичными условиями трения при граничной смазке. Для нее характерен нелинейный режим взаимодействия вакансий и дислокаций – вакансионно- дислокационный механизм сдвига, задаваемый повышенной концентрацией вакансий при ИП упрочненных участков поверхности в процессе трения. При некоторой критической концентрации вакансий в пленке происходит переход от консервативного движения дислокаций к их неконсервативному переползанию к поверхности и выходу на нее. Дислокации переходят на другой уровень взаимодействия с кристаллической решеткой металла с существенно меньшими затратами энергии, что сопровождается релаксацией напряжений. Поскольку при эффекте безызносности трение сопровождается эволюционными процессами – образованием металлической пленки на трущихся поверхностях, то главным в этом случае становится самоорганизующийся характер трения, который обусловлен обменом трущейся пары с внешней средой энергией и веществом, а также коллективным поведением ионов металла, из которых формируется металлическая пленка. Она представляет собой металл в особом состоянии, имеющем место только в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, так как оно ее воспроизводит. Пленка при трении образуется из одного из материалов деталей, участвующих в трении (бронзы, латуни или другого медного сплава), или же из смазочного материала, содержащего порошки пластичных металлов, их соли, комплексные соединения металлов, металлорганические соединения. 40 2.6.4. Вакансионно -дислокационный механизм при избирательном переносе При исследовании прочности и пластичности поверхностных слоев металлов В.П. Алехиным был установлен диффузионно-вакансионный механизм. Сущность этого механизма в области низких (комнатных) температур и напряжений заключается в том, что в поле приложения напряжений и действия некоторых других условий (например, отсутствия окисных пленок и др.) изменяется химический потенциал точечных дефектов (вакансий и междоузлий), и в материале спонтанно возникают противоположно направленные диффузионные потоки вакансий и атомов. Однако при этом возникает дислокационный барьер, мешающий действию механизма. Избирательное растворение в режиме ИП снимает барьер, действуя совместно с полем приложенных напряжений. Дислокации, выходя на поверхность, делают систему ИП открытой благодаря химической реакции "свободных" атомов с лигандами смазки. Свободные атомы возникают в местах выхода дислокаций. Периодическое упрочнение и разупрочнение пленки создает циклическую накачку вакансий, а циклическое растворение свободных атомов приводит к образованию смазочного слоя из координационных соединений. В режиме ИП действует вакансионно-дислокационный механизм. 2.6.5. Конфигурационная энтропия металла При трении не только происходит диссипация энергии в виде теплоты, электричества и др., но и запасается в поверхностном слое в виде скоплений легирующих элементов и дислокаций, что можно характеризовать как увеличение конфигурационной энтропии. Избирательное растворение поверхности медного сплава при ИП облегчает выход дислокаций на поверхность и уменьшает образование конфигурационной энтропии. Чтобы оценить структуру пленки в этом отношении, был разработан рентгеновский метод ее исследования, который позволил определить границы действия вакансионно-дислокационного механизма. |